Hojas de divulgación técnica
OPS OMS

HDT 52 : TECNOLOGIA CEPIS PARA EL TRATAMIENTO DE AGUA: ESTADO ACTUAL

Adaptado del informe técnico de Ing. Lidia Canepa de Vargas, oficial en tratamiento de agua potable para consumo humano. Diciembre 1992


Indice general

    Antecedentes
    Estado Actual
    Colaboración de CEPIS
    Bibliografía

Antecedentes

La preocupación del Programa de Salud Ambiental de la Organización Panamericana de la Salud y del CEPIS por extender la cobertura de los servicios de abastecimiento asegurando la calidad del agua potable, se ha traducido en términos pragmáticos en el desarrollo de la tecnología CEPIS de tratamiento de agua para consumo humano, entre otros temas.

Esta tecnología, que plasma notables investigaciones científicas en estructuras sencillas y económicas, se inicio y evolucióno durante la decada del 60, reforzando el extraordinario avance tecnologico que experimento este campo.

Modificaciones sustanciales del proceso de coagulación fueron efectuados por La Mer, O'Melia, Stumn, Black, Fair, Kaufman, Hudson, Singley, Vrale, Jordan, Letterman y Amirtharajah. En el area de la sedimentación por Argaman, Wolf, Resnick, Miller, Ives, Camp, Yao y otros. En el campo de la filtración por Stein, Camp, Fair, Mintz, Hudson, O'Melia, Cleasby, Arboleda, Grimplastch, Di Bernardo y otros. Estas contribuciones cimentaron las bases teoricas y practicas para desarrollar la tecnología CEPIS, que se sigue perfeccionando dia a dia, buscando la mayor eficiencia, al menor costo.

Renombrados especialistas latinoamericanos han brindado su valioso aporte en este proceso de optimización de la tecnología, entre los cuales destacan los ingenieros Jorge Arboleda Valencia (Colombia), Carlos Richter (Brasil), José Pérez Carrión (Ecuador) y en el campo de la filtración directa, el ingeniero Luiz Di Bernardo (Brasil).

Por sus ventajas tecnicas y económicas, la tecnología CEPIS esta siendo utilizada en numerosos proyectos y estudios de gran escala. No existen limitaciones en cuanto a capacidad, ni restricciones para su uso, ya que el principio básico de esta tecnología es su adaptación a diversas calidades de agua y a los recursos disponibles en el medio.

Las plantas diseñadas con la tecnología CEPIS de tratamiento de agua, son faciles de construir, operar y mantener con recursos locales, y generan mayores oportunidades de trabajo en todas las etapas de su implementación. Los equipos se han eliminado o reducido al mínimo en los sistemas grandes, y por ello no requiere de un programa de mantenimiento preventivo sofisticado que seria dificil de llevar a cabo en nuestros paises. Puede prescindir de energía electrica pues opera mediante energía hidraulica, lo que la hace mas confiable. Sus estructuras son obras civiles simples, de facil mantenimiento y larga duración; lo que permite una reducción del 40 al 50% del costo en relación a otras tecnologías. Las plantas se pueden construir por modulos, de acuerdo a la disponibilidad de recursos económicos y materiales locales.

Como condición previa a su aplicación, se requiere conocer las caracteristicas físico-químicas y microbiologicas de la fuente y sus variaciones a lo largo de por lo menos un ano, asi como su comportamiento ante una gama de procesos (simulaciones a nivel de laboratorio), para seleccionar el grado de tratamiento necesario y poder garantizar la calidad del producto final.


Figura 1. Decantadores convencionales de flujo horizontal


Figura 1a. Baterías de filtros de tasa declinante y autolavables

Entre los proyectos mas grandes que han empleado esta tecnología se encuentran:


Figura 2. Floculadores de pantallas de flujo horizontal

Ademas, existen alrededor de 400 sistemas de mediana y pequena capacidad en toda America Latina. Los paises que mas estan empleando esta tecnología son: Brasil, Costa Rica, Colombia y República Dominicana.


Estado actual

Las primeras plantas de tratamiento de este tipo, que se construyeron en America Latina(1) fueron:

Luego de evaluarlas fue posible optimizar el sistema hidraúlico y se obtuvieron diseños mas compactos, eficientes y económicos. Las principales conclusiones del estudio de José Pérez Carrión, 1978, y la experiencia de 15 anos de aplicación y evaluación continua para afinar criterios de diseño y la eficiencia de los sistemas, se resume a continuación:

  1. Mezcla rápida

    La eficiencia del proceso depende básicamente de la relación entre los mecanismos de coagulación predominantes, los parámetros de mezcla rápida y las condiciones químicas de dosificación.

    Se ha demostrado (2) que los parámetros de mezcla: gradiente de velocidad (G) y tiempo de retención (T), son importantes para optimizar el proceso cuando el mecanismo de coagulación predominante es el de adsorción; si el mecanismo de coagulación es el de barrido, los parámetros de mezcla son indiferentes. Para la coagulación por barrido, son mas importantes las condiciones químicas para la rápida precipitación de los hidróxidos amorfos.


    Figura 3. Unidades de resalto hidráulico


    Figura 4. Mezclador hidráulico en línea inyector

    Estudios (3) recientes indican que con particulas del orden de 3 æm, la tasa de desestabilización minima ocurre dentro de un rango de gradientes de velocidad de 1,500 s-1 a 3,500 s-1. Se obtiene una maxima eficiencia, dependiendo de la calidad del agua y del tipo de mezclador, con gradientes de 700 s-1 a 1,000 s-1 y de 3,500 s-1 a 5,000 s-1. Gradientes de velocidad mayores retardan la formación del floculo.

    Asimismo, las unidades de mezcla que producen gradientes de velocidad altos y tiempos de retención instantaneos, como los del tipo de resalto hidraúlico y mezcladores en linea, optimizan el proceso con aguas que coagulan predominantemente por adsorción, mientras que los retromezcladores o mezcladores mecánicos que son totalmente ineficientes con este tipo de aguas(4), son eficientes con aguas que coagulan por barrido.


    Figura 5. Unidades de mezcla mecánica - retromezclador


    Figura 6. Mezcladores evaluados por Vrale y Jorden


    Figura 8. Gradientes de velocidad y tiempos óptimos de floculación

  2. Floculación

    Los parámetros que optimizan el proceso de floculación son el gradiente de velocidad (G) y el tiempo de retención (T) los cuales se relacionan mediante la siguiente expresión(5):

    Gn . T = K

    * donde n y K son coeficientes que dependen de la calidad del agua.

    Cada gradiente de velocidad optimiza con un tiempo de retención especifico. La maxima eficiencia se obtiene con un desarrollo decreciente de gradientes. El rango de gradientes optimos para floculación varia entre 70 s-1 y 20 s-1. Las unidades mas sencillas, económicas y de eficiencia aceptable, son las de pantallas de flujo horizontal o vertical. La floculación en medios porosos permite reducir el volumen de la unidad a 1/3 de lo usual (5 a 6 minutos de tiempo de retención), permitiendo diseños compactos, eficientes y económicos. El principio de estas unidades se fundamenta en la teoria de Argaman y Kaufman(6), segun la cual al incrementarse el numero de compartimientos disminuye el tiempo de retención.

  3. Decantación laminar

    La aplicación de la teoria de sedimentación laminar(7) permite obtener decantadores económicos, altamente eficientes y faciles de operar y mantener.

    La eficiencia de remoción de los decantadores laminares fluctua entre 95% y 99% obteniendose ventajas mayores a medida que la turbiedad y el tiempo de operación se incrementa. Normalmente, en condiciones similares de cargas superficiales, son mas eficientes que el equipo de prueba de jarras. Con cargas del orden de 500 m3/m2/d la eficiencia decrece de 50% a 60% Yao(7) demostro que los decantadores laminares son mas eficientes que los convencionales, con tasas de hasta 100 m3/m2, el rendimiento es practicamente constante.

    La eficiencia del pretratamiento es un factor que influye definitivamente en el comportamiento del decantador laminar. Se consiguen rangos superiores a 90% con un pretratamiento adecuado, decreciendo a 40% en caso contrario, aun con tasas muy convencionales (120 m3/m2/d).


    Figura 10. Comparación entre un decantador convencional con un tubular


    Figura 12. Decantador de placas con cnaletas laterales de recolección de agua decantada

    Las evaluaciones practicadas en las primeras unidades construidas de este tipo, sirvieron para optimizar los diseños, mejorando el comportamiento hidraúlico. Los ensayos de trazadores en los decantadores de Cuenca, Cochabamba y El Imperial demostraron la existencia de un 40% de espacios muertos. Posteriormente, ensayos con colorantes demostraron que al ingresar la totalidad del caudal por el inicio de la unidad, la distribución del flujo entre las placas es desigual, agudizandose el problema con la mayor longitud de la unidad y velocidad del flujo.


    Figura 11. Decantador de alta tasa con pantallas paralelas


    Estos descubrimientos obligaron a buscar una forma especial a este decantador, el cual hasta ese momento habia recibido la misma configuración que uno convencional de flujo horizontal. Es asi como la segunda generación de estas unidades se diseña con un canal central en el sentido longitudinal de la unidad. Este puede tener dos o tres pisos, en los cuales se efectua la recolección del agua decantada en la parte superior, distribución de agua floculada en el segundo nivel y recolección de lodos en el primer piso(8, 9).

4. Filtración Terminal

Se ha conseguido incrementar las tasas de filtración, longitud de las carreras y eficiencia del proceso y disminuir el costo inicial, de operación y mantenimiento, mediante el uso de medios filtrantes dobles, tasa declinante y lavado por gravedad de un filtro, por el flujo que produce toda la bateria.

a. Medios dobles Con este tipo de medio se consigue aplicar velocidades de filtración superiores a las usuales (180 m3/m2/d a 240 m3/m2/d), obteniendose efluentes de mejor calidad (turbiedades inferiores a 0.5 UT) con carreras superiores a 65 horas y menor pérdida de carga que con los medios simples de arena.


Figura 13. Decantador de placas paralelas

b. Tasa declinante Las principales ventajas de los sistemas operados bajo este principio son:

- Cuando un filtro es retirado de operación para ser lavado, el nivel del agua sube gradualmente en los demás y como resultado, las variaciones de las tasas de filtración en las unidades restantes, son graduales. La pérdida de carga se puede determinar por simple observación del nivel de las unidades.

- La calidad del efluente es mejor ya que la tasa de filtración disminuye constantemente desde el inicio hasta el final de la carrera.

- Es mayor la cantidad de agua producida por unidad de pérdida de carga debido a la retención de particulas. Es menor la carga hidraulica necesaria para obtener carreras de filtración de la misma duración.

- Se evita la ocurrencia de una presión menor a la atmosferica en el interior del medio filtrante.

- Se eliminan los equipos mecánicos de control de toda indole, con la consiguiente reducción en los costos iniciales.

Estudios experimentales desarrollados por Di Bernardo(10) a nivel piloto y en prototipos permiten desarrollar modelos matemáticos que facilitan el diseño de estas unidades.


Figura 14. Decantador de alta tasa
con canal central de distribución


Figura 15. Configuración típica de un sistema de filtración con tasa declinante


Figura 16. Variación de la pérdida de carga en el interior del canal común de alimentación de agua decantada a los filtros de tasa declinante

c. Lavado de un filtro con el efluente de los otros

Esta comprobado que un filtro se puede lavar con el efluente producido por los otros, siempre y cuando la bateria este trabajando con tasa declinante y los filtros se hayan diseñado apropiadamente.

Para que un filtro se lave bajo este principio, cada unidad debe tener una sección, que al pasar el caudal de operación de la bateria a traves de un filtro, se produzca la velocidad de lavado que expanda adecuadamente el medio filtrante. Se requiere un mínimo de cuatro filtros para implantar este sistema.

Este sistema de lavado permite suprimir las usuales estaciones de bombeo y tanques elevados, obteniendose diseños mas económicos y faciles de operar y mantener.

  1. Filtración directa

    Esta alternativa de tratamiento es adecuada para aguas permanentemente claras, permitiendo un ahorro apreciable en los costos iniciales, de operación y mantenimiento al omitir las unidades de decantación, reducir o eliminar la unidad de floculación y disminuir la dosis de coagulantes para obtener un microfloculo mas pequeño y duro que proporcione carreras de filtración mas largas. Sin embargo, esta solución económica requiere un cuidadoso diseño y operación, especialmente la filtración directa de flujo descendente por el escaso tiempo de retención que proporciona y el estrecho rango de calidad de agua cruda con la que puede operar (Ver Cuadro en HDGDIC92).


Colaboración del CEPIS

El CEPIS ofrece asistencia a los paises en los siguientes aspectos:

  1. Programas de rehabilitación y ampliación
  2. Formación de recursos humanos
  3. Asesoria directa
  4. Información
  1. Programa de rehabilitación y ampliación

    Se brinda apoyo en la implantación de programas de rehabilitación y/o ampliación de plantas a nivel de region, de municipio o de empresa.

  2. Formación de recursos humanos

    El programa de formación de recursos humanos en el area de tratamiento de agua para consumo humano, comprende seis cursos de la Serie de Filtración Rapida y tres en la de Filtración Lenta, los cuales se especifican a continuación:

    a. Serie de Filtración Rapida

    • Evaluación (2 semanas)
    • Diseno (2 semanas)
    • Operación (2 semanas)
    • Mantenimiento (1 semana)
    • Control de Calidad: - Nivel profesiónal (2 semanas) - Nivel tecnico (1 semana)

    b. Serie de Filtración Lenta

    • Evaluación (1 semana)
    • Diseno (1 semana)
    • Operación, Mantenimiento y Control (1 semana)

    Los cursos estan dirigidos a los profesiónales que trabajan en el diseño, operación, mantenimiento y control de plantas de tratamiento de agua, en las instituciones nacionales y empresas privadas de los paises de la Region.

  3. Asesoria directa

    El CEPIS ofrece asesoramiento a los profesiónales de las instituciones nacionales, ya sea en sus instituciones o mediante una residencia en el mismo CEPIS. Las residencias se emplean generalmente en la etapa de rehabilitación, para brindarles un apoyo mas estrecho durante la ampliación, mejoramiento u optimizacióndel diseño. Se comprende por "optimización" a la ampliación de la capacidad de la planta, sin incrementar las estructuras existentes. Esto se consigue mediante la aplicación correcta de la tecnología CEPIS de Tratamiento de Agua.

  4. Información

    El CEPIS, a traves de la Red Panamericana de Información y Documentación en Ingenieria Sanitaria y Ciencias del Ambiente (REPIDISCA), pone a su disposición información especializada, ademas de los Manuales de Adiestramiento de todos los cursos indicados en el item 3.2.


Bibliografía

(Documentos disponibles en la biblioteca del CEPIS)

  1. Pérez Carrión, José. Uso de nueva tecnología de tratamiento de agua en America Latina. Presentado al Congreso Interamericano de Ingenieria Sanitaria y Ambiental, Santo Domingo, 1978.
  2. Amirtharajah, A.; Mill, K. Rapid-mix design for mechanisms of alum coagulation. En: Journal of the American Water Works Association, 74 (4):210-216, 1982.
  3. Amirtharajah, A.; Trusler, S. Destabilization of particles by turbulent rápid mixing. En: Journal of Environmental Engineering, 112(6):1085-1108, 1986.
  4. Vrale, Lasse; Jorden, Roger M. Rapid mixing in water treatment. En: Proceedings of the AWWA Seminar Upgrading Existing Water Treatment, Boston, 1974. Denver, American Water Works Association, 1974, pp. 131-144.
  5. Andrew-Villegas, Rafael; Letterman, Raymond D. Optimizing flocculator power input. En: Journal of the Environmental Engineering División, 102 (EE2):251-280, 1976.
  6. Argaman, Y.; Kaufman, W.J. Turbulence and flocculation. En: Journal of the Sanitary Engineering División, 96(SA4):1025- 1027, 1970.
  7. Yao, K.M. Sedimentadores de alta rata. En: Memorias del Simposio sobre Nuevos Metodos de Tratamiento de Agua, Asunción, 1972. Lima, CEPIS, 1977, pp. 57-84.
  8. Richter, Carlos. Dispositivos de entrada y salida de decantadores, s.d.
  9. Arboleda Valencia, J. Teoria y practica de los sedimentadores de alta rata. En: Memorias del Seminario Internacional sobre Tecnología Simplificada para Potabilización del Agua, Cali 1987. Cali, ACODAL, 1987, pp. 1-100.
  10. Di Bernardo, Luiz. Projeto de sistemas de filtraçao para tratamento de aguas de abastecimento, Sao Paulo, Universidade de Sao Paulo, Escola de Engenharia de Sao Carlos, 1988.

Nota: El material citado en la bibliografía puede consultarse y/o solicitarse a la Biblioteca del CEPIS a traves del

E-mail:repihelp@cepis.pe

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